Режим напряжений в сети с изолированной нейтралью

Как уже отмечалось, под сетью с изолированной нейтралью (рис. 2.1) понимают сеть, все нейтрали силовых трансформаторов, генераторов, синхронных компенсаторов и электродвигателей в которой не имеют заземлений или заземлены через высокоомные сопротивления. При пофазной симметрии параметров элементов такой сети эта сеть ничем не отличается от сети с заземленной нейтралью, т. е. токи и напряжения ее фаз равны по модулю и сдвинуты на , а напряжение в нейтрали равно нулю. Действительно, пренебрегая малыми сопротивлениями питающего эквивалентного источника (в том числе силового трансформатора) и продольными сопротивлениями линий электропередачи по сравнению с проводимостями фаз сети на землю (рис. 2.1) в соответствии со вторым законом Кирхгофа получим:

(2.1)

где , , – уравновешенная симметричная система фазных ЭДС эквивалентного источника питания (трансформатора);

напряжения фаз сети относительно нулевого потенциала (земли);

напряжение в нейтрали сети.

Рис. 2.1. Сеть с изолированной нейтралью

Дополним уравнения (2.1) уравнением первого закона Кирхгофа для токов проводимостей на землю, связанных с узлом нулевого потенциала:

(2.2)

или

, (2.3)

где токи проводимостей фаз сети на землю, а собственно проводимости фаз сети на землю, в общем случае имеющие как активные , так и емкостные составляющие:

Будем считать, что представляют собой некоторые эквиваленты, отражающие потери в сети за счет утечек по изоляции, а также в активных сопротивлениях проводов линий электропередачи, трансформаторов и др.

Решая (2.1) и (2.3) совместно, определим в следующем виде:

. (2.4)

Выражения (2.1) и (2.4) полностью характеризуют режим напряжений в сети с изолированной нейтралью. Если , то в соответствии с (2.4) и сеть работает в симметричном режиме, т. е. согласно (2.1): и (рис. 2.2, а).

Рис. 2.2. Режим напряжений в сети с изолированной нейтралью:

а) при ; б) при

Если же в сети с изолированной нейтралью возникает пофазная несимметрия параметров ( ), то согласно (2.4), в ее нейтрали появляется напряжение несиммерии (напряжение «смещения нейтрали»), и фазные напряжения в общем случае оказываются неравными по величине (рис. 2.2, б).

В кабельных сетях фазные проводимости на землю практически одинаковы, поэтому искажений фазных напряжений в них можно ожидать лишь в связи с аварийными несимметричными режимами, связанными с неполнофазной работой выключателей, обрывом присоединений или несимметричными замыканиями как между фазами, так и на землю.

В воздушных сетях, где ввиду специфичности подвески проводов фаз на опорах различных конструкций могут быть не равны емкостные проводимости фаз сети на землю ( ), или при различных величинах токов утечек фаз по изоляции, вызванных неодинаковой степенью загрязненности изоляцией фаз, могут быть не равны активные проводимости фаз ( ), может быть не равно нулю и в нормальных режимах работы сети. В этом случае в такой сети может длительно существовать несимметрия фазных напряжений (рис. 2.2, б).

Длительно существующее напряжение несимметрии в нейтрали сети принято характеризовать относительной величиной – степенью относительной несимметрии сети:

, (2.5)

где фазное напряжение сети в симметричном режиме, когда и ;

и относительные составляющие степени несимметрии сети соответственно по емкостным и активным проводимостям:

; (2.6)

; (2.7)

коэффициент, получивший название коэффициента демпфирования (успокоения) свободных процессов в сети:

; (2.8)

рад/с – круговая промышленная частота.

Для воздушных сетей с нормальным состоянием изоляции коэффициент демпфирования , выраженный в процентах, равен . При загрязнениях и увлажнениях изоляции этих сетей их коэффициент демпфирования может увеличиться до 10 %. Для кабельных сетей . Однако, при наличии в сети кабелей с состарившейся изоляцией величина может достигать 6 %.

Степень относительной несимметрии (2.5) главным образом зависит от несимметрии емкостных проводимостей сетей на землю. Например, в нормально работающих воздушных сетях она в основном обусловлена несимметричным расположением проводов на опорах линий электропередачи и может находится в пределах от 0,5 до 5 %. При неравномерном распределении по фазам конденсаторов высокочастотной связи, а также при неравенстве по фазам емкостей конденсаторов, устанавливаемых для защиты вращающихся машин от грозовых перенапряжений, она может иметь и большие значения. Тем не менее, во всех этих случаях, возникающая в воздушных сетях несимметрия фазных напряжений не представляет опасности для их изоляции.

В нормально работающих кабельных сетях степень относительной несимметрии практически равна нулю.

Следует отметить, что вектор напряжения несимметрии (рис. 2.2, б) направлен в сторону фаз с увеличенными проводимостями фаз на землю. Поэтому по нему можно оценить, какие емкостные проводимости сети должны быть увеличены или уменьшены при перефазировке отдельных линий или перераспределении конденсаторов высокочастотной связи для того, чтобы снизить ее степень относительной несимметрии.

Как видно из анализа (2.1) и сравнения диаграмм рис. 2.2, а и 2.2, б, наличие в сети с изолированной нейтралью напряжения несимметрии не изменяет треугольник ее междуфазных напряжений.